一种车载式热管堆启停辅助装置及启停控制方法

1.本发明属于包括核能在内的能源领域和车辆工程领域的一种车载式热管堆启停辅助装置及启停方法，具体涉及到采用的车载式热管堆或移动式能源系统。


背景技术：

2.1942年gaugler首次提出了热管概念，并在1963年由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（los alamos national laboratory, lanl）的grover进行了发明，其主要通过管内工质的相变，利用汽化和冷凝的高潜热和毛细抽吸现象，无需外界动力便可以进行传热。经过几十年的发展，热管概念被应用于各种领域，其中包括将热管技术运用到新型反应堆概念设计中，或者采用热管技术来提升已有安全系统的可靠性。
3.目前大型核电站的技术比较成熟，专利202010002954.1发明了一种适用于大机组的反应堆的启停系统及方法，能维持反应堆启停过程中水/汽工况下的压力，以及流量变化的要求；专利201310020289.9发明了一种用于一体化反应堆的启停辅助装置，在反应堆启动的过程中能够实现一回路冷却剂的升温升压 ；有效建立二回路启动压力和启动流量，避免流动不稳定现象的出现，并且有效回收工质和热量，缩短启动时间；但上述启停装置仅应用于反应堆，没有与车辆启停相结合。目前汽车的启停装置也比较成熟，很多汽车都安装了一键启停功能，专利201710849963.2发明了一种汽车发动机自动启停装置，大大减少油耗和废气排放，提高汽车的经济性，避免排放污染；专利202111653869.2发明了一种车辆自动启停的控制方法，能够减少自动启停的触发频率，延长发动机的使用寿命，减少交通事故的发生概率，同时为驾驶者带来更好的驾驶体验；但没有跟反应堆特别是热管堆关联。目前，可利用车辆进行运输的热管反应堆大多停留在理论研究和概念设计阶段，热管启停时结合车辆的移动特性研究尚未发现。
4.因此有必要设计一种结合车辆移动特性的车载式热管堆启停辅助系统及启停方法，将车辆与热管堆结合运行，提高启停效率，优化热管堆的工作状态，提高热管堆的利用效率。该装置使用热管技术导出堆芯热量，与传统轻水堆的工作回路相比，排布结构紧凑，体积小。同时热管的固有安全性高、便于模块化，方便进行车载运输。热管传热采用了相变传热，热效率较高。热管堆搭载的运输车辆将热管堆与传统汽车内燃机互为补充，提供车辆动力的双保险，贯彻了安全理念，提高了可靠性，同时降低燃油消耗，实现节能减排的目的。基于上述优点，该装置可部署于车载式或其他移动式热管堆，适合于灾区、偏远地区、极寒地区等，使移动式动力装置具有更高的环保性、安全性和可靠性。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提出一种针对车载式热管堆启停辅助装置及启停方法，热管堆与所搭载车辆结合运行，将热管堆与传统汽车内燃机互为补充，提供车辆动力的双重保障，同时提高热管堆启停效率、安全性、可靠性和环保性，实现节能减排的目的。
6.本发明解决技术问题的技术方案是：
一种车载式热管堆启停辅助装置，车载式热管堆包括反应堆、热管及换热器，反应堆和换热器通过所述热管连接用于导出反应堆的热量，其特征在于：车载式热管堆启停辅助装置包括车辆动力系统、高温高压气体容器、热量储存系统以及热管堆内的传感器、吸热器件构成；所述换热器具有与所述车辆动力系统连通的第一输送管道及与所述热量储存系统连通的第二输送管道，所述反应堆具有与所述高温高压气体容器连通的第三输送管道和第四输送管道，所述热管具有与高温高压气体容器连通的第五输送管道，通过所述第一输送管道、第二输送管道、第三输送管道、第四输送管道及第五输送管道形成车辆动力系统与热管堆相结合的智能化启停辅助装置。
7.第一输送管道用于在反应堆运行时将反应堆的热量输送到车辆动力系统，第二输送管道用于在反应堆运行时将反应堆多余热量导出到热量储存系统；第三输送管道和第五输送管道用于在反应堆启堆时将热量储存系统的热量和稳压系统的压力通过高温高压气体容器输送到反应堆和热管以达到启堆的第一设定温度和第一设定压力；第四输送管道用于在反应堆停堆时将反应堆的高温高压气体输送到高温高压气体容器，使反应堆维持在适合停堆的第二设定温度和第二设定压力。
8.本发明整个车载式热管堆启停辅助装置仅依靠缝隙很小的热管组件导出堆芯热量至动力系统和热量储存系统，所述启停辅助装置的控制系统控制包括车辆行驶且启堆运行、车辆停驶且停堆、车辆行驶且热管堆无法正常运行的三种状态，是一种通过驾驶人员启停行为-热管堆启停-车辆启停的顺序运行的启停方法，控制系统依靠车联网与自组织增量学习神经网络、情景记忆马尔可夫决策过程进行数据交互控制，形成车辆动力系统与热管堆结合的智能化启停控制，实现启停辅助装置的智能化。
9.在所述热管上设置有吸热器件，如果热管在过高的温度下运行，蒸气通道太窄，通道中蒸气的速度可能接近声速，在此类情况下，流体流动所能携带的热量达到极限，即热管的声速限，这时即使改变冷凝段的冷却速率，热管所能传递的热量也不会增加；因此，所述吸热器件用于在热管蒸发段出口处蒸汽流速接近声速时，将热管的热量导出到所述高温高压气体容器中。
10.所述吸热器件为环绕型吸热丝；环绕型吸热丝的外圈绝热，环绕型吸热丝的内圈与热管蒸发段进行热量交换，当热管蒸发段热量过高，热管蒸发段出口处的智能传感器监测到蒸汽流速接近声速极限时，吸热丝与高温高压气体容器之间的传热管阀门开启，将吸热丝中的热量导入容器中，之后将热量储存在热量储存系统中。
11.所述智能传感器包括数据采集单元、处理单元以及控制单元；数据采集单元为速度传感器，用于获取热管蒸汽速度；处理单元用于分析速度是否接近声速，接近则给控制单元信号开启传热管阀门，反之不开启；控制单元用于根据所述处理单元的处理结果控制所述传热管阀门的启闭，吸收蒸汽热量，避免热管通道内蒸汽接近声速极限。
12.所述热量储存系统与驻车通风系统、自动滑轨系统、行车记录仪及车辆空调系统连接，用于向驻车通风系统、自动滑轨系统、行车记录仪及车辆空调系统提供动力；所述稳压系统与空调系统连接，用于向空调系统提供压缩驱动。
13.所述自动滑轨系统设置在所述热管堆的底部，由热量存储系统提供动力；自动滑轨系统包括滚子或轮胎的滑道以及可操作的滑道支架；整个热管堆的外围设置抗震软木，堆芯和其他关键设备装在如碳化硼、铅、钢或铅钢制成的装甲中，保护人员和设备免受堆芯
辐射，同时减小在移动过程中受到的冲击和破坏。
14.所述车辆动力系统与行车记录仪及车辆空调系统连接，用于向行车记录仪及车辆空调系统提供动力。
15.换热器内热量依靠超临界co2进行布雷顿循环导出到所述车辆动力系统带动所搭载车辆运行。
16.一种车载式热管堆启停控制方法，其特征在于，车辆行驶且启堆运行状态时，行车记录仪、警报系统、空调系统、高温高压气体容器、热量储存系统和稳压系统投入运行；高温高压气体容器向反应堆和热管的蒸发段提供热量和压力，使得反应堆和热管维持在适合启动的第一设定温度和第一设定压力；车辆停驶且停堆时，高温高压气体容器将反应堆的热量和压力导出，使反应堆维持在适合停堆的第二设定温度和第二设定压力；热量储存系统提供能量支持行车记录仪、警报系统、空调系统、驻车通风系统和自动滑轨系统工作，同时稳压系统也可以为空调系统提供压缩驱动；车辆行驶且热管堆无法正常运行时，内燃机提供动力。
17.热管堆的启停由触发时间来控制，从而在驾驶员踩下制动踏板并摘入空挡后，在停车时间达到触发时间后启动启停功能；反应堆自动启停的触发时间根据监测到的路况信息确定，路况信息包括车间距、车流密度、交通信号灯、路面状况；例如：当交通信号灯的红灯倒计时、车流密度 辆/km时，增加触发时间以推迟自动启停的启动；当交通信号灯的红灯倒计时 、车流密度辆/km时，需及时启动自动启停，减少触发时间以及时启动自动启停。
18.智能控制系统可结合自组织增量学习神经网络和情景记忆马尔可夫决策过程算法，从而智能控制系统产生的触发时间由智能控制系统中训练好的预测模型确定；预测模型的输入为车联网监测到的路况信息，预测模型的输出为触发时间。
19.预测模型的训练方法是：构建由路况信息和触发时间组成的数据集，将数据集分为训练集和测试集；根据训练集数据进行模型的训练；在训练时，通过反复计算和修正连接权，在误差达到预设精度后，完成不同路况信息的自组织增量学习神经网络和情景记忆马尔可夫决策过程学习；利用测试集对完成训练的模型进行测试。并分别记忆在智能控制系统中，在将来遇到类似反应堆情况、类似路况或相同导航路线时，更快调整触发时间。以实现进行数据交互优化控制过程。
20.车辆行驶过程中，在热管堆无法正常工作时，汽车内燃机迅速投入工作，保证车辆的正常行驶，同时收集内燃机产生的尾气余热辅助热管堆的快速启动。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明车载式热管堆启停辅助装置，车辆行驶且启堆运行状态时，行车记录仪、警报、空调系统和热量储存系统投入运行。车辆停驶且停堆时，热量储存系统仍可提供热量支持行车记录仪、警报、空调系统、驻车通风系统和自动滑轨系统工作。车辆行驶且热管堆无法正常运行时，内燃机提供动力。
22.本发明车载式热管堆启停辅助装置，热管堆搭载的运输车辆配备的传统汽车内燃机与热管堆互为补充，提供车辆动力的双保险，车辆行驶过程中，在热管堆无法正常工作时，汽车内燃机迅速投入工作，保证车辆的正常行驶，同时收集内燃机产生的尾气余热辅助
热管堆的快速启动，贯彻了安全理念，提高了可靠性，同时降低了燃油的消耗，实现节能减排的目的。
23.本发明车载式热管堆启停辅助装置，车辆停驶，热管堆同步停堆，此时车内辅助系统仍可由热量储存系统供给能量进行正常工作，包括哨兵模式行车记录仪、警报、空调系统、驻车通风系统等。热管堆启堆时，热量储存系统向堆芯和热管的蒸发段提供热量，使得堆芯和热管维持在适合启动的温度和压力，提高启堆效率，缩短启堆时间。热管堆停堆时，热量储存系统开始吸收堆芯热量，使得反应堆快速维持在适合停堆的温度和压力。
24.本发明车载式热管堆启停辅助装置，由于热管反应堆中核燃料的特殊性，需进行更严格的管理，因此车辆停驶时，设置哨兵模式行车记录仪，同时安装警报系统，全天候监控车载式热管堆的安全。
25.本发明车载式热管堆启停辅助装置，热管堆启堆时，热量储存系统向堆芯和热管的蒸发段提供热量，使得堆芯和热管维持在适合启动的温度和压力，提高启堆效率，缩短启堆时间。
26.本发明车载式热管堆启停辅助装置，热管堆停堆时，热量储存系统开始吸收堆芯热量，使得反应堆快速维持在适合停堆的温度和压力。
27.本发明车载式热管堆启停辅助装置，智能传感器包括数据采集单元、处理单元以及控制单元；数据采集单元为速度传感器，用于获取热管蒸汽速度；处理单元用于分析速度是否接近声速，接近则给控制单元信号开启传热管阀门，反之不开启；控制单元用于根据所述处理单元的处理结果控制所述传热管阀门的启闭，吸收蒸汽热量，避免热管通道内蒸汽接近声速极限。
28.本发明车载式热管堆启停辅助装置，热管堆底部设置自动滑轨系统，由热量存储系统提供动力，包括滚子或轮胎的滑道以及可操作的滑道支架，便于装卸热管堆，整个热管堆的外围设置抗震软木，堆芯和其他关键设备装在如碳化硼、铅、钢或铅钢制成的装甲中，保护人员和设备免受堆芯辐射，同时减小在移动过程中受到的冲击和破坏。
29.本发明车载式热管堆启停辅助装置，在车辆到达指定地点后，热管堆接入外部动力系统，此时车辆行驶动力系统不再工作。
30.本发明车载式热管堆启停辅助装置，包括与车载式热管堆相连的车辆动力系统、高温高压气体容器、热量储存系统和稳压系统，可以控制车辆行驶且启堆运行、车辆停驶且停堆、车辆行驶且热管堆无法正常运行的三种状态高效运行，通过驾驶员行为-热管堆启停-车辆启停的顺序，形成车辆动力系统与热管堆结合的高效智能化启停辅助装置及启停方法，本发明具有提高车载式热管堆在潜在的破坏性运输条件或恶劣操作环境的移动运行能力，便于将反应堆快速部署到需要关注后勤的区域，例如灾区、偏远地区、极寒地区等，使车载式热管堆具有更高的安全性、可靠性和环保性，实现节能减排的目的。
附图说明
31.图1车载式热管堆启停辅助装置；图2车辆行驶且启堆运行状态；图3车辆停驶且停堆状态；图4车辆行驶且热管堆无法正常运行状态；
图5车载式热管堆启停控制方法；图6车载式热管堆；图7热管工作原理；图中：1.反应堆；2.环绕吸热丝；3.热管；4.换热器；5.蒸发段；6.吸液芯；7.绝热段；8.气体工质；9.液体工质；10.冷凝段；11.自动滑轨系统；12.抗震软木；13.智能传感器；14.温度式压力传感器。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
33.本实施例提供一种车载式热管堆启停辅助装置，结构如图1所示，包括反应堆1、热管3及换热器4，反应堆1和换热器4通过热管3连接用于导出反应堆1的热量，车载式热管堆启停辅助装置包括车辆动力系统、高温高压气体容器、稳压系统及热量储存系统；换热器4具有与所述车辆动力系统连通的第一输送管道及与所述热量储存系统连通的第二输送管道，第一输送管道用于在反应堆运行时将反应堆1的热量输送到车辆动力系统，第二输送管道用于在反应堆运行时将反应堆1多余热量导出到热量储存系统；所述反应堆具有与所述高温高压气体容器连通的第三输送管道和第四输送管道，所述热管3具有与高温高压气体容器连通的第五输送管道，第三输送管道和第五输送管道用于在反应堆启堆时将热量储存系统的热量和稳压系统的压力通过高温高压气体容器输送到反应堆1和热管3以达到启堆的第一设定温度和第一设定压力；第四输送管道用于在反应堆停堆时将反应堆1的高温高压气体输送到高温高压气体容器，使反应堆维持在适合停堆的第二设定温度和第二设定压力。
34.在一个实施例中，反应堆内部的温度和压力通过温度式压力传感器14进行监测，并由传感器14将堆芯的温度和压力及时反馈给智能控制系统；以钾热管为例，第一设定温度和第一设定压力分别设定为770 ℃和4 mpa；第二设定温度和第二设定压力分别设定为63 ℃和4 mpa。
35.第一设定温度和第一设定压力、第二设定温度和第二设定压力，均为人为设定参数，并不局限于实施例中的具体值。
36.在一个实施例中，在热管3上设置有吸热器件2，用于在热管蒸汽流速接近声速时将热管3的热量导出到热量储存系统。
37.在一个实施例中，吸热器件2为环绕型吸热丝；环绕型吸热丝2的外圈绝热，环绕型吸热丝2的内圈与热管蒸发段进行热量交换，当热管蒸发段热量过高，热管蒸发段出口处的智能传感器13监测到蒸汽流速接近声速极限时，吸热丝与高温高压气体容器之间的传热管阀门开启，将吸热丝中的热量导入容器中，之后将热量储存在热量储存系统中。
38.在一个实施例中，智能传感器13包括数据采集单元、处理单元以及控制单元；数据采集单元为速度传感器，用于获取热管蒸汽速度；处理单元用于分析热管蒸发段出口处的蒸汽流速是否接近声速，接近则给控制单元信号开启吸热丝，反之不开启吸热丝；控制单元用于根据处理单元的处理结果控制吸热丝的启闭，吸收蒸汽热量，避免热管通道内蒸汽接近声速极限。
39.在一个实施例中，热量储存系统与驻车通风系统、自动滑轨系统、行车记录仪及车
辆空调系统连接，用于向驻车通风系统、自动滑轨系统、行车记录仪及车辆空调系统提供热量；稳压系统与空调系统连接，用于向空调系统提供压缩驱动。
40.在一个实施例中，自动滑轨系统设置在所述热管堆的底部，由热量存储系统提供动力；自动滑轨系统包括滚子或轮胎的滑道以及可操作的滑道支架；整个热管堆的外围设置抗震软木，堆芯和其他关键设备装在如碳化硼、铅、钢或铅钢制成的装甲中，保护人员和设备免受堆芯辐射，同时减小在移动过程中受到的冲击和破坏。
41.在一个实施例中，车辆动力系统与行车记录仪及车辆空调系统连接，用于向行车记录仪及车辆空调系统提供动力。
42.在一个实施例中，换热器内热量依靠超临界co2进行布雷顿循环导出到所述车辆动力系统带动所搭载车辆运行。
43.本发明启停辅助装置的总体运行流程为：当车辆行驶，反应堆1运行时，堆芯热量通过热管3带走到换热器4，在换热器4内进行能量转换或直接提供热量给车辆行驶系统和热量储存系统；当车辆停驶时，反应堆1停堆，热量储存系统和稳压系统向外输出能量，维持车辆辅助系统的运行。
44.基于上述的总体运行流程：车辆发动行驶，反应堆运行时，如图2所示。首先高温高压气体容器为反应堆1和热管3提供能量，预先使得其达到适合启堆的温度和压力状态，缩短启堆时间；开始运行后换热器4给车辆行驶系统提供动力，导出部分热量到热量储存系统，同时车辆行驶系统维持行车记录仪和空调系统的运行，环绕吸热丝2外圈绝热，只吸收热管热量，当热量过高传感器13预判蒸汽流速达到声速极限时，传热管阀门开启，吸热丝持续吸热，储存在热量系统中，保证热管的高效率换热。
45.车辆熄火停驶，反应堆停堆时，如图3所示。首先高温高压气体容器导出反应堆1的高温高压气体，使得反应堆维持在适合停堆的温度和压力，快速停堆，同时热量储存系统给哨兵模式的行车记录仪、警报、空调压缩机、驻车通风系统和装卸热管堆的自动滑轨系统提供动力；稳压系统给空调压缩机提供压缩驱动。
46.车辆行驶但热管堆无法正常运行时，如图4所示。汽车内燃机替代热管堆为动力系统提供行驶动力，同时高温高压气体容器和尾气余热收集装置向堆芯输入能量，辅助热管堆的快速启动。
47.车载式热管堆启停控制方法如图5所示。首先基于车联网技术获取路况信息，之后通过智能控制系统，实时根据车间距、车流密度、交通信号灯、路面状况，调整反应堆自动启停的触发时间，在驾驶员踩下制动踏板并摘入空挡后，基于触发时间控制热管堆启停，从而关联车辆动力系统的启停。
48.车载式热管堆如图6所示。热管堆周围包覆的抗震软木12保证热管堆在移动过程中的可靠运行，自动滑轨系统11位于热管堆底部，便于装卸热管堆。
49.热管工作原理如图7所示。表示启堆时热管的工作状态，通过蒸发段5将热量传递到换热器内的冷凝段10，管芯内的液体受热蒸发带走热量，该热量为工作液体的蒸发潜热，气体工质8从绝热段7流向热管在换热器内的冷凝段10，凝结成液体9，同时放出潜热到换热器进行正常堆芯运行，在吸液芯6毛细力的作用下，液体回流到蒸发段。